Será sólido

Jul 02, 2023

A fuga térmica e os incêndios de bateria associados provaram ser uma preocupação crítica para clientes, projetistas de baterias e fabricantes de veículos elétricos. Muitos veículos sofreram incêndios de bateria e centenas de milhares foram recolhidos. Embora esses eventos sejam raros, eles podem ser muito graves e é importante fornecer o máximo de segurança para as pessoas dentro e ao redor desses veículos. Uma pergunta comum é se a próxima tecnologia de bateria de estado sólido será mais segura e se isso eliminará a necessidade de gerenciamento térmico e materiais de proteção contra incêndio?

O novo relatório da IDTechEx "Solid-State and Polymer Batteries 2023-2033: Technology, Forecasts, Players" analisa as tecnologias, players, segurança e adoção de baterias de estado sólido.

À primeira vista, as baterias de estado sólido apresentam vários benefícios de segurança. Eles eliminam o eletrólito líquido inflamável e podem substituí-lo por um eletrólito de estado sólido não inflamável. Eles também geralmente têm uma janela de temperatura operacional mais ampla, potencialmente tornando menos provável a ocorrência de fuga térmica por superaquecimento da célula. O calor gerado por falha de aquecimento externo também é normalmente reduzido.

No entanto, isso não conta toda a história. O termo bateria de estado sólido, na verdade, refere-se a uma série de tecnologias de bateria. Em alguns casos, a bateria ainda usará um componente líquido para troca iônica (estado semi-sólido), o que significa que um componente volátil ainda está presente. Alguns eletrólitos de estado sólido de polímero não são completamente inflamáveis ​​e qualquer eletrólito pode derreter se o sistema esquentar o suficiente.

Em 2022, a operadora de transporte público em Paris retirou temporariamente 149 ônibus elétricos após dois incêndios separados. As células usadas aqui foram declaradas para usar baterias com um cátodo LFP, ânodo de metal Li e eletrólito de polímero de estado sólido. O fornecedor descreve suas baterias como "completamente sólidas, sem componentes líquidos, sem níquel e sem cobalto".

Outro exemplo vem de um estudo de pesquisa baseado em simulação do Sandia National Laboratories em 2022 (Hewson et. al., Joule, Vol.6, Edição 4, 742-755) que comparou a segurança de uma bateria totalmente em estado sólido, uma bateria sólida bateria de estado sólido com eletrólito líquido adicionado no cátodo e uma bateria de íons de lítio convencional à base de líquido. O estudo descobriu que, para falha de aquecimento externo, uma bateria de estado sólido com uma pequena quantidade de eletrólito líquido gera menos calor do que uma bateria típica de íons de lítio, mas mais do que uma bateria totalmente de estado sólido. Para falha de curto-circuito, o calor liberado dependia apenas da capacidade da célula. Dado que as baterias de estado sólido podem ter uma densidade de energia mais alta, mais calor pode ser gerado. As temperaturas térmicas típicas mencionadas para baterias de íon de lítio comuns são de cerca de 1000-1200oC; em alguns cenários desta pesquisa, o aumento de temperatura das baterias de estado sólido chegou a quase 1800oC.

O desenvolvimento de baterias de estado sólido ainda está em andamento, mas a conclusão é que as baterias de estado sólido podem ser mais seguras na maioria dos casos. Ainda assim, nenhum sistema de bateria será 100% seguro. Portanto, materiais de gerenciamento térmico e proteção contra incêndio sempre serão necessários para fornecer essa camada final para retardar a propagação do fogo fora do pacote.

Os tipos de material de proteção contra incêndio usados ​​para estado sólido serão amplamente semelhantes aos usados ​​para baterias de íon-lítio tradicionais, o fator de forma das células (cilíndrica, prismática, bolsa) e o design geral do pacote terá uma maior influência na escolha do material. Hoje, os materiais comumente usados ​​para proteção passiva contra incêndio são folhas de mica, mantas de cerâmica, espumas encapsulantes e revestimentos retardadores de fogo, entre outros. Os aerogéis estão ganhando força no mercado e opções como revestimentos intumescentes e materiais de mudança de fase estão recebendo maior interesse.

Muitos desses materiais teriam dificuldades para lidar com temperaturas acima de 1500oC. Ainda assim, o objetivo final não é necessariamente interromper completamente a propagação, mas atrasá-la o máximo possível. Além do desempenho em altas temperaturas, esses materiais precisam lidar cada vez mais com outras funções, como conformabilidade com células, desempenho de compressão e custo. O mercado de EV em rápido crescimento, com foco maior na segurança contra incêndio, apresentará uma variedade de oportunidades para materiais de proteção contra incêndio e eles não serão eliminados por tecnologias alternativas de bateria, como estado sólido.